분산계
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1. 개요
분산계는 액체 또는 고체 매질에 입자가 분산된 상태를 의미하며, 입자 크기에 따라 용액, 콜로이드, 현탁액으로 분류된다. 분산계는 구조를 나타내지 않으며, 침투 이론으로 특성을 설명할 수 있다. 분산 과정은 확산과 대류에 의해 촉진되며, 분산도는 입자의 응집 정도를 나타낸다. 분산계는 상(phase)에 따라 기체, 액체, 고체 분산질과 분산매의 조합으로 분류되며, 광학적 성질을 통해 빛의 산란 현상을 보인다. 응집, 염석, 호프마이스터 계열과 같은 현상이 나타나며, 우유, 산화물 분산 강화 합금, 해안 대수층, 유류 유출 등 다양한 분야에서 응용된다.
분산계는 분산상(dispersed phase)과 분산매(dispersion medium)로 구성된다. 분산상은 미세한 입자나 액체 방울 형태이며, 분산매는 이를 둘러싸는 액체 또는 고체 매트릭스이다. 일반적으로 분산계 내 입자들은 통계적으로 분포되어 특별한 구조를 가지지 않는다고 가정하며, 이러한 관점에서 침투 이론을 통해 그 특성을 설명하곤 한다.
분산계는 분산된 입자의 크기나, 분산된 물질(분산상)과 이를 둘러싼 매질(분산매)의 상태에 따라 여러 방식으로 분류될 수 있다.
2. 구조 및 특성
그러나 침투 이론은 시스템이 열역학적 평형 상태에 있거나 매우 가까울 때만 유효하다는 한계점을 지닌다. 실제 분산계, 특히 에멀젼과 같은 시스템의 구조에 대한 연구는 아직 부족하지만, 이들은 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있다.
특히 분산상의 직경이 약 1μm 미만인 미세 분산계의 형성과 특성을 이해하기 위해서는, 분산상이 표면을 가지며 이 표면이 분산매와 접촉하여 새로운 계면을 형성한다는 점을 고려해야 한다. 새로운 표면과 계면을 만드는 데는 많은 에너지가 필요하며, 단순히 계면 장력(표면 장력의 차이)만으로는 이 에너지 투입을 상쇄하기 어렵다.
실험 결과들은 분산계가 통계적 분포와는 거리가 멀고, 오히려 자기 조직화와 유사한 구조를 형성하는 경향이 있음을 보여준다. 이러한 현상은 비평형 열역학으로 설명될 수 있다.[3] 이 때문에 특정 조건(임계 농도, 입자 크기, 계면 장력 등)에서 일부 액체 분산계가 겔이나 고체처럼 변하거나, 절연체 매질 속에 분산된 전도성 입자들이 갑자기 전도성을 나타내는 현상 등이 발생할 수 있다.
2. 1. 분산 과정
분산은 (액체에 고체가 분산되는 경우) 응집된 입자들이 서로 분리되고, 액체 분산 매질의 내부 표면과 분산된 입자의 표면 사이에 새로운 계면이 생성되는 과정이다. 이 과정은 분자 확산과 대류에 의해 촉진된다.[4]
분자 확산은 매질 전체에 도입된 물질의 농도가 불균일할 때 발생한다. 물질이 처음 도입된 영역은 다른 영역보다 농도가 높기 때문에 농도 기울기가 생기고, 이 기울기가 입자를 확산시켜 전체적으로 농도를 균일하게 만든다. 대류는 매질 내 유동 경로 사이의 속도 변화가 분산된 물질의 분포를 촉진하는 현상이다.
확산과 대류 모두 물질 분산에 기여하지만, 매질 내에 상당한 난류가 존재할 경우 대류가 주된 분산 메커니즘으로 작용한다.[5] 반면, 난류가 거의 없거나 전혀 없는 경우에는 분자 확산이 오랜 시간에 걸쳐 분산을 주도하는 주요 메커니즘이 된다.[4]
이러한 현상은 일상생활에서도 관찰할 수 있다. 예를 들어, 물에 식용 색소 한 방울을 떨어뜨리면 색소 분자는 결국 물 전체로 퍼져나가는데, 이는 분자 확산의 효과를 보여준다. 하지만 숟가락으로 물을 저으면 난류가 발생하여 대류가 분산 과정을 훨씬 빠르게 만든다.
2. 2. 분산도
분산(dispersion)이라는 용어는 입자가 서로 뭉쳐 덩어리(cluster)나 응집체(aggregate)를 형성하는 정도를 나타내는 물리적 특성을 의미하기도 한다. ISO 나노기술 정의에 따르면, 입자들이 뭉치는 형태는 크게 두 가지로 구분된다. 플록(floc)은 반 데르 발스 힘이나 물리적 얽힘처럼 약한 힘으로 결합되어 다시 분리될 수 있는(가역적인) 입자 덩어리이다. 반면, 입자 응집(aggregate)은 공유 결합 등으로 강하게 결합되거나 융합되어 쉽게 분리되지 않는(비가역적인) 입자 집합체이다.[6]
분산도를 종합적으로 정량화하려면 각 덩어리나 응집체 내 입자의 크기, 모양, 수, 입자 간 힘의 세기, 전체 구조 및 시스템 내 분포를 모두 고려해야 한다. 하지만 실제 측정에서는 편의상 개별 입자(1차 입자)의 크기 분포와 이들이 뭉친 덩어리나 응집체의 크기 분포를 비교하여 분산 정도를 평가하는 경우가 많다.[7]
특히 액체 매질 속에 고체 입자가 퍼져 있는 현탁액의 분산도를 평가할 때는 제타 전위가 중요한 지표로 사용된다. 제타 전위는 입자 표면의 전하와 주변 액체와의 상호작용에 의해 결정되는데, 이 값의 절대값이 클수록 입자들 사이에 강한 전기적 반발력이 작용하여 서로 뭉치지 않고 잘 분산된 상태임을 의미한다. 따라서 절대값이 높은 제타 전위를 가진 현탁액은 일반적으로 분산 안정성이 좋은 것으로 간주된다.
3. 종류
주요 분류 기준 중 하나는 분산된 입자의 크기이다. 이에 따라 분산계는 크게 용액, 콜로이드, 현탁액으로 나뉜다.[8][9] 용액은 입자가 매우 작아 균일하게 섞여 있으며, 콜로이드는 중간 크기의 입자를 가지며, 현탁액은 비교적 큰 입자가 불균일하게 분산되어 있다.
다른 분류 기준은 분산상과 분산매의 물리적 상태(기체, 액체, 고체) 조합이다. 예를 들어, 기체 매질에 액체나 고체 입자가 분산된 것을 에어로졸, 액체 매질에 고체 입자가 분산된 것을 졸, 서로 섞이지 않는 두 액체가 분산된 것을 유탁액, 고체 매질에 액체가 분산된 것을 겔이라고 부른다. 이러한 분류는 다양한 분산계의 특성을 이해하는 데 도움을 준다.
3. 1. 상(Phase)에 따른 분류
분산계에서 분산되어 있는 입자를 '''분산질''', 입자가 분산되어 있는 매질을 '''분산매'''라고 부른다. 일반적으로 분산계에서 가장 많은 양을 차지하고 연속적인 상을 이루는 구성 요소를 분산매로 간주한다.
분산계는 분산질과 분산매의 상(고체, 액체, 기체) 조합에 따라 분류할 수 있다. 예를 들어, 에어로졸은 기체에 액체 또는 고체 입자가 분산된 것이고, 졸은 액체에 고체 입자가 분산된 것이며, 유탁액(에멀젼)은 서로 섞이지 않는 두 액체가 분산된 것이고, 겔은 고체에 액체가 분산된 것이다.
분산질과 분산매의 상 조합에 따른 분산계의 분류와 그 예시는 다음과 같다. 이 표는 분산계를 입자 크기에 따라 용액, 콜로이드, 현탁액으로 나누어 예시를 보여준다.
| 분산질 (분산하는 상) | 분산매 (분산시키는 상) | 분류 명칭 (국문) | 분류 명칭 (영문) | 용액 예시[19] | 콜로이드 예시[20] | 현탁액 예시[21] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 기체 | 기체 | 분자 분산계 / 가스 혼합물 | Gas mixture | -- | (불가능) | |
| 액체 | 에어로졸 | Aerosol | -- -- --  | -- -- | ||
| 고체 | 고체 에어로졸 / 솔리드 에어로졸 | Solid aerosol | -- --  | -- -- -- -- | ||
| 기체 | 액체 | 거품 / 폼 | Foam | 물 속의 산소 | -- -- | -- -- -- |
| 액체 | 유탁액 / 에멀젼 | Emulsion | -- -- | -- -- -- -- | -- | |
| 고체 | 졸 | Sol | -- | -- -- -- | --  -- -- -- | |
| 기체 | 고체 | 고체 거품 / 솔리드 폼 | Solid foam | 금속 내의 수소 | -- --   | |
| 액체 | 겔 / 젤 | Gel |    |   --  | ||
| 고체 | 고체 졸 / 솔리드 졸 | Solid sol | -- -- | -- | ||
3. 2. 입자 크기에 따른 분류
분산계는 분산된 입자의 크기에 따라 크게 세 가지로 분류할 수 있다.- 용액 (Solution): 분산된 입자가 매우 작아 오랫동안 방치해도 가라앉지 않고 균일하게 섞여 있는 균일 혼합물이다.
- 콜로이드 (Colloid): 분산된 입자가 용액보다는 크지만 현탁액보다는 작으며, 적어도 한 방향에서 약 1nm에서 1μm 사이의 크기를 갖는 불균일 혼합물이다.[8] 국제 순수 및 응용 화학 연합(IUPAC)은 콜로이드 입자의 크기를 대략 1nm에서 1μm 사이로 정의하고 있다.[9] 콜로이드 입자는 맨눈으로 구별하기 어렵지만 틴들 효과를 통해 용액과 구별할 수 있다.
- 현탁액 (Suspension): 분산된 입자가 비교적 커서 매질에 불균일하게 퍼져 있는 불균일 혼합물이다. 용액이나 콜로이드와 달리, 시간이 지나면 중력에 의해 입자가 가라앉아 분리된다.
용액과 현탁액은 비교적 쉽게 구별할 수 있지만, 용액과 콜로이드는 입자가 맨눈으로 보이지 않아 구별하기 어려울 수 있다. 이때는 빛을 비추었을 때 빛의 경로가 보이는 현상인 틴들 효과를 이용하여 구별한다. 콜로이드는 틴들 효과를 나타내지만, 용액은 나타내지 않는다.
분산계를 입자 크기에 따라 분류할 때, 그 특성은 다음과 같이 요약할 수 있다. 다만, 각 분류 사이의 경계는 명확하지 않고 연속적인 변화를 보인다.
| 특성 | 분산계의 종류 | ||
|---|---|---|---|
| 용액 (균질) | 콜로이드 (불균질) | 현탁액 (불균질) | |
| 입자 크기 | 1nm 이하 | 1nm ~ 100nm | 100nm 이상 |
| 광학 현미경 관찰 | 보이지 않음 | 보이지 않음 | 보임 |
| 전자 현미경 관찰 | 존재를 알 수 있음 | 보임 | 보임 |
| 투명도 | 투명 | 반투명 또는 흐림 | 심하게 흐림 (불투명) |
| 반투과막 통과 여부 | 통과 | 통과하지 않음 | 통과하지 않음 |
| 여과지 통과 여부 | 통과 | 통과 | 통과하지 않음 |
4. 광학적 성질
분산계의 입자 크기는 가시광선의 파장과 비슷하여 빛을 산란시키는 특성을 가진다. 이러한 성질 때문에 분산계는 다양한 광학적 현상을 나타낸다.
4. 1. 틴들 현상 (Tyndall effect)
틴들 현상은 콜로이드 용액 등 분산계에 빛을 통과시켰을 때 빛의 경로가 보이는 현상이다. 이 현상은 과학자 존 틴들이 발견하여 그의 이름이 붙었다.틴들 현상은 주로 분산된 입자에 의해 빛이 미 산란되면서 발생한다. 미 산란은 입자의 크기가 빛의 파장과 비슷할 때 가장 강하게 일어나며, 빛의 입사 방향, 특히 앞쪽으로 많이 산란되는 특징이 있다. 미 산란의 강도는 파장에 크게 의존하지 않으므로, 태양광의 경우에는 희끄무레하게 보이게 된다. 아침 안개는 틴들 현상의 예이다.
4. 2. 레일리 산란 (Rayleigh scattering)
분산계의 입자 크기가 가시광선의 파장과 비슷할 경우 빛을 산란시켜 여러 광학적 성질을 나타낸다. 이러한 산란 현상 중 하나인 레일리 산란과 미 산란은 아침 안개, 우유의 탁함, 오팔의 광택과 같은 모습으로 관찰될 수 있다.
5. 응집, 염석 및 호프마이스터 계열
응집(Flocculation)은 분산질 입자끼리 서로 흡착하고 모여서 침강하는 현상을 말한다. 특히, 이온성 물질(염)에 의해 발생하는 응집을 '''염석'''(salting out)이라고 부른다.
일반적으로 분산질 입자 사이에는 표면 장력과 유사하게 분자 간 인력의 총합에 해당하는 반 데르 발스 힘이 작용한다. 동시에, 분산질 입자 표면에는 입자의 조성과 용매의 극성 차이 때문에 전위차가 생기고, 이 표면 전위와 반대 부호의 이온(대이온)들이 주변에 모여 전기 이중층을 형성한다. 같은 종류의 입자들은 동일한 전기 이중층을 가지므로, 입자들이 서로 가까워지면 이중층이 겹치게 된다. 이때 이온 확산에 따른 엔트로피 효과로 인해 삼투압과 같은 척력(서로 밀어내는 힘)이 발생하여 입자들이 쉽게 뭉치지 않고 분산 상태를 유지하게 된다. 이러한 안정화 원리는 DLVO 이론으로 설명된다.
친수 콜로이드의 경우, 소수 콜로이드처럼 표면 전하를 가질 뿐만 아니라, 수화(용매화)를 통해 많은 물 분자가 입자 표면에 붙어 있어 입체적인 방해 효과(입체 척력) 때문에 더욱 강하게 반발하여 안정된 상태를 유지한다. 보호 콜로이드는 입자 표면에 단백질과 같은 다른 물질이 흡착하여 표면 전위를 변화시켜 안정성을 높이는 경우도 있다.
DLVO 이론에 따르면, 분산계에 이온성 물질(염)을 첨가하면 용액 전체의 이온 농도가 높아진다. 이는 상대적으로 전기 이중층의 이온 농도를 낮추는 효과를 가져와(주변 용매와 비슷해짐), 결과적으로 입자 간의 삼투압 척력을 약화시킨다. 이로 인해 입자 간의 반 데르 발스 힘에 의한 인력이 우세해져 응집이 일어나게 된다. 친수 콜로이드나 보호 콜로이드는 표면의 수화층이나 흡착된 단백질 등이 보호막 역할을 하므로, 염이나 에탄올과 같은 물질이 이 보호층을 먼저 제거해야 응집이 일어난다. 따라서 이러한 콜로이드를 응집시키거나 염석하려면 더 많은 양의 염이나 응집제를 첨가해야 한다.
다양한 졸(sol)에 대한 이온의 응집 능력은 임계 미셀 농도의 역수로 측정할 수 있으며, 그 순서는 다음과 같다.
- 음이온: 시트르산염 > 주석산염 > 황산염 > 아세트산염 > 염화물 (Cl-) > 질산염 > 염소산염
- 양이온 (음이온만큼 뚜렷하지는 않음): Li+ > Na+ > K+
이러한 이온의 응집 능력 순서는 1888년 프란츠 호프마이스터가 발견했으며, 그의 이름을 따서 '''호프마이스터 계열'''(Hofmeister's series영어)이라고 부른다. 단백질은 종류에 따라 표면 전하의 양과 분포가 다르기 때문에, 특정 이온 농도에서 침전되는 정도가 달라진다. 이러한 성질을 이용하여 염석은 단백질을 분리하거나 정제하는 중요한 방법으로 사용된다.
염석 현상은 자연 현상이나 산업 공정에서도 관찰된다.
6. 응용 사례
우유는 흔히 볼 수 있는 유제(emulsion)의 예시이다. 유제는 서로 섞이지 않는 두 액체 중 하나가 다른 액체 속에 미세한 입자 형태로 퍼져 있는 상태를 말한다. 우유 속 지방 입자는 지용성 비타민 등 중요한 영양소를 신생아에게 전달하는 역할을 한다.[10] 또한 우유에 기계적, 열적 처리나 효소 처리를 가하면 지방 입자의 상태가 변형되어 다양한 유제품을 만들 수 있다.[11]
산화물 분산 강화 합금(ODS)은 금속 내부에 산화물 입자를 분산시켜 재료가 높은 온도에서도 견딜 수 있도록 만든 합금이다. 이러한 특성 때문에 극한의 고온 환경을 견뎌야 하는 원자력 산업 분야에서 중요하게 활용된다.[12]
해안 지역의 대수층이 오염되는 현상 역시 분산과 관련이 있다. 대수층의 물을 과도하게 사용하면 해수가 빈 공간으로 스며들어 담수와 섞이게 된다. 이렇게 염분이 담수 속에 분산되면 해당 대수층은 더 이상 식수나 농업용수로 사용하기 어려워진다.[13] 이 문제를 해결하기 위해 인공적으로 물을 채우거나 해수가 들어오는 것을 막는 물리적 장벽을 설치하는 등의 방법이 연구되고 있다.[14]
바다에 유류 유출 사고가 발생했을 때 사용하는 화학 분산제도 분산 현상을 이용한 예이다. 분산제는 물 위에 떠 있는 거대한 기름 덩어리를 아주 작은 기름 방울로 쪼개어 물속에 넓게 퍼지게 만든다. 이렇게 기름 입자가 분산되면 미생물 등에 의한 자연 분해가 더 쉽게 일어나고, 해양 생물이나 해안가로 밀려오는 기름 피해를 줄이는 데 도움이 된다.[15]
참조
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均質な混合物。可視光域で[[レイリー散乱]]を引き起こすサイズの小さな粒子。
[20]
문서
不均質な混合物。表面付近で可視光域の[[チンダル現象]]を引き起こすサイズのやや小さな粒子。
[21]
문서
不均質な混合物。可視光線域では顕著な影響は与えない大きな粒子。
[22]
문서
窒素や酸素などの気体の混合物
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